Xác định bộ hệ số khí động phục vụ bài toán mô phỏng động lực học bay của máy bay không người lái Orbiter 2

Tên lửa & Thiết bị bay H.V. Trung, L.T. Anh, P.T. Lai, T.H. Nam, “Xác định bộ hệ số khí động ORBITER 2.” 30 XÁC ĐỊNH BỘ HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG PHỤC VỤ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC BAY CỦA MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI ORBITER 2 Hoàng Việt Trung1*, Lê Tuấn Anh1, Phan Tương Lai2, Trần Hoài Nam2* Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xác định bộ hệ số khí động của máy bay không người lái loại nhỏ (MUAV) Orbiter 2 dựa trên phần mềm mô phỏng số Ansys Fluent và chương trình tính toán khí động Digital Datcom. So sánh, đánh giá ưu nhược điểm của từng phương pháp và kết quả thu được để đưa ra kết luận về việc sử dụng bộ hệ số khí động phục vụ cho bài toán mô phỏng động lực học bay. Từ khóa: Động lực học bay, Hệ số khí động, MUAV Orbiter 2. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, máy bay không người lái loại nhỏ (MUAV) Orbiter 2 đã được đưa vào trang bị trong các đơn vị quân đội. Việc nghiên cứu, khảo sát để tiến tới làm chủ hệ thống máy bay không người lái hiện đại này là một yêu cầu cấp thiết. Một trong những nội dung quan trọng đầu tiên trong việc xây dựng mô hình động lực học bay cho MUAV Orbiter 2 là việc xác định bộ tham số khí động của nó. Do mới được đưa vào sử dụng, nên những nghiên cứu sơ bộ về máy bay không người lái Orbiter 2 là rất hạn chế. Hiện nay, chưa có công trình nào công bố những kết quả tính toán hệ số khí động cho Orbiter 2. Để xây dựng mô hình động lực học bay, cần có bộ hệ số khí động để từ đó xác định các lực khí động tác dụng lên máy bay trong quá trình bay. Thông thường, để đảm bảo độ chính xác và sát với thực tế thì bộ hệ số khí động được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. Tuy nhiên do điều kiện tiếp cận các phòng thí nghiệm khí động lực học gặp nhiều khó khăn, cùng với việc chưa có mô hình mẫu để sử dụng nên phương pháp thực nghiệm tại thời điểm hiện tại không khả thi. Do đó phương pháp xác định hệ số khí động bằng mô phỏng số trong môi trường Ansys Fluent (hoặc CFX) thường được sử dụng. Ưu điểm của phần mềm mô phỏng số này là trực quan, có thể tính toán ở nhiều vận tốc khác nhau, đặc biệt là với tốc độ lớn (điều mà các phòng thí nghiệm hiện hay ở Việt Nam không thực hiện được, do hạn chế về tốc độ chỉ ở mức 0.1M), điều kiện mô phỏng khá sát với thực tế và độ chính xác cũng tương đối cao. Tuy nhiên, một số hệ số như các đạo hàm khí động theo tốc độ góc quanh các trục, theo góc lệch của cánh lái,... nếu tính trong Ansys Fluent khá phức tạp khi chia lưới và sử dụng lưới động cũng như đòi hỏi cao về cấu hình máy và thời gian tính toán. Để tính toán bổ sung các hệ số này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm tính toán khí động Digital Datcom, nhờ đó có thể tính toán được đầy đủ tất cả bộ hệ số khí động cần thiết. Đồng thời qua việc tính toán bằng hai phương pháp cũng có thể đối chiếu so sánh kết quả để đưa ra những đánh giá khách quan hơn. 2. TÍNH TOÁN BỘ HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG CHO MUAV ORBITER 2 2.1. Các hệ số khí động cần tính toán Bộ hệ số khí động đầy đủ cho MUAV Orbiter 2 bao gồm: ,L DC C  tương ứng là các hệ số lực nâng, lực cản cho ở hệ tọa độ tốc độ; mC  hệ số moment chúc ngóc so với trục y của hệ tọa độ liên kết. Các hệ số này thường phụ thuộc vào góc tấn  , vận tốc góc q, và độ lệch của elevators e . Theo đó, ta có các đạo hàm hệ số khí động cần tính là: , , , , , , , , q q qe e e L L L D D D m m mC C C C C C C C C      . Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 31 YC  hệ số lực trượt cạnh trong hệ tọa độ tốc độ; ,l nC C  hệ số moment quanh các trục x, z của hệ tọa độ liên kết. Các hệ số này phụ thuộc vào góc trượt cạnh  , các vận tốc góc p, r và độ lệch của cánh lái a . Do đó, sẽ có các đạo hàm hệ số khí động cần tính: , , , , , , , , , , , p r p r p ra a a Y Y Y Y l l l l n n n nC C C C C C C C C C C C      . Thông thường các hệ số khí động cơ bản như hệ số lực nâng, lực cản và moment chúc ngóc ( , ,L D mC C C ) sẽ phụ thuộc vào góc tấn  và số Mach. Trường hợp thiết bị bay có vận tốc dưới 0,4M thì có thể coi môi trường khí là không nén được, khi đó các hệ số khí động hầu như không phụ thuộc vào số Mach mà chỉ phụ thuộc vào góc tấn [1,2]. MUAV Orbiter 2 có vận tốc bay trung bình 30m/s (~0.1M), do đó trong bài báo chỉ tính toán các hệ số khí động cho Orbiter 2 theo các góc tấn khác nhau ở một tốc độ bay cố định là 0.1M. Trong môi trường Ansys Fluent, việc tính toán các hệ số khí động và đạo hàm của chúng theo sự phụ thuộc vào góc tấn  và góc trượt cạnh  được thực hiện bằng cách thay đổi hướng của dòng khí đến. Theo đó, các đạo hàm các hệ số theo góc tấn , ,L D mC C C   thì có thể tính gián tiếp bằng cách thay đổi góc tấn 0  , tính hệ số      , ,L D mC C C   đối với góc tấn ấy, sau đó sử dụng kết quả để tính các đạo hàm:     0 0; . L L m m L m C C C C C C           Trong đó: 0 0 0 , ,L D mC C C  tương ứng là giá trị các hệ số , ,L D mC C C khi 0  . Tương tự như thế đối với các đạo hàm theo góc  . Do Orbiter 2 đối xứng qua mặt phẳng xOz nên các đạo hàm sau đều bằng 0: 0. p q ra Y Y D YC C C C    Các đạo hàm còn lại, bao gồm: , , , , , , , , , , , , , q q p p r r e e e a a L m L n l n L D m l n Y l nC C C C C C C C C C C C C C        sẽ được tính toán bổ sung bằng phần mềm tính toán khí động Digital Datcom. Khi tính toán trong cả hai phương pháp đều sử dụng các kích thước đặc trưng: - Diện tích đặc trưng (diện tích cánh): 0.8802 m2. - Chiều dài đặc trưng (dây cung khí động trung bình): 0.363 m. - Vị trí trọng tâm: trên trục dọc máy bay, cách mũi máy bay 0.591m. Các đạo hàm khí động có đơn vị tính là [1/độ]. 2.2. Tính hệ số khí động bằng Ansys Fluent 2.2.1. Xây dựng mô hình, chia lưới và thiết lập các điều kiện mô phỏng. Mô hình 3D với các kích thước thực của Orbiter 2 được dựng trực tiếp trong DesignModeler của Ansys. Các kích thước bao cơ bản của Orbiter 2 bao gồm: Sải cánh: 2.742 m; dài: 1.05 m; cao: 0.12 m [3]. Vùng tính toán có dạng hình trụ đường kính 10m, chiều dài 5m với đầu vào dạng hình cầu có đường kính 10m. Lưới được chia có cấu trúc dạng tứ diện, vùng gần bề mặt máy bay được chia mịn hơn nhằm nâng cao độ chính xác. Các yếu tố chất lượng lưới đảm bảo nằm trong vùng cho phép [4], cụ thể: Tên lửa & Thiết bị bay H.V. Trung, L.T. Anh, P.T. Lai, T.H. Nam, “Xác định bộ hệ số khí động ORBITER 2.” 32 - Orthogonal Quality Min = 0.16; - Skewness Max = 0.928. Hình 1. Mô hình 3D của Orbiter 2. Hình 2. Miền tính toán trong Ansys. Các điều kiện biên: - Mô hình dòng khí được chọn là SST k  [5]. - Tốc độ dòng khí thổi (tốc độ máy bay): 30 m/s. - Việc thay đổi góc tấn được tiến hành bằng cách thay đổi hướng dòng khí thổi đến (máy bay đứng yên). 2.2.2. Kết quả tính toán. Các kết quả tính toán được cho ở các bảng tương ứng: Bảng 1. Các hệ số lực nâng, lực cản và moment chúc ngóc theo góc tấn. o 0 2 4 6 8 10 LC 0.4572 0.5692 0.6782 0.7811 0.8756 0.9576 DC 0.0371 0.0495 0.0661 0.0867 0.1111 0.1386 mC -0.0300 -0.0331 -0.0355 -0.0368 -0.0377 -0.0387 Bảng 2. Các hệ số lực dạt sườn và moment quanh các trục x,z theo góc trượt cạnh. o 0 2 4 6 8 10 YC 0 0.00132 0.00261 0.00396 0.00537 0.00693 lC 0 -0.01148 -0.02091 -0.03068 -0.04081 -0.05148 nC 0 0.00273 0.005868 0.009071 0.012357 0.01596 Trên hình 3 là biểu đồ phân bố áp suất trên bề mặt Orbiter 2 và tại các mặt cắt khác nhau trong trường hợp góc tấn 0  . Theo đó khi góc tấn bằng 0, vùng áp suất cao phân bố tại đầu mũi thân, vùng áp suất thấp ở mặt trên và mặt dưới. Đối với cánh, do cánh được thiết kế nghiêng so với mặt phẳng ngang nên kể cả khi 0  đối với máy bay thì phần cánh vẫn coi như bay dưới góc tấn bằng góc nghiêng của cánh. Do đó, vùng áp suất cao sẽ phân bố ở phần đầu và mặt dưới của cánh, vùng áp suất thấp ở phía mặt trên của cánh, chính điều này tạo nên lực nâng cho cánh. Những kết quả này là hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu lý thuyết. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 33 a. b. c. Hình 3. Phân bố áp suất. a. Trên bề mặt Orbiter 2; b. Tại mặt phẳng đối xứng của Orbiter 2; c. Tại mặt cắt y=1.0 [m]. 2.3. Xác định các hệ số khí động bằng Digital Datcom 2.3.1. Dữ liệu đầu vào Digital Datcom là một chương trình tính toán khí động được được viết trên ngôn ngữ Fortran lần đầu bởi McDonnell Douglas Astronautics Company và được Mỹ cũng như nhiều nước châu Âu sử dụng để tính toán các hệ số khí động, đạo hàm hệ số khí động liên quan đến ổn định cho các loại máy bay [6]. Digital Datcom sử dụng một file đầu vào (file .inp) để làm dữ liệu tính toán. Trong file đầu vào người dùng sẽ phải khai báo những dữ liệu cần thiết cho việc tính toán khí động, cụ thể: - FLTCON – điều kiện bay (bao gồm độ cao bay, số Mach, số Reynolds,...); - SYNTHS – vị trí trọng tâm, vị trí cánh, đuôi,...; - OPTINS – khai báo các kích thước đặc trưng khí động; - BODY – khai báo kích thước hình học của thân máy bay; - WGPLNF – khai báo biên dạng, kích thước cánh; - PROPWR – khai báo động cơ cánh quạt. Sau khi có đầy đủ dữ liệu đầu vào từ file input chương trình sẽ tự động tính toán và xuất ra kết quả theo yêu cầu của người dùng, bao gồm toàn bộ bộ hệ số khí động cần thiết cho việc xây dựng mô hình động lực học bay của máy bay. Các khai báo ở đầu vào được lấy từ kích thước và các chỉ số thực tế của Orbiter 2. Riêng biên dạng cánh (airfoil) thì Tên lửa & Thiết bị bay H.V. Trung, L.T. Anh, P.T. Lai, T.H. Nam, “Xác định bộ hệ số khí động ORBITER 2.” 34 thực tế MUAV Orbiter 2 sử dụng airfoil MH60 và S5010-98, trong khi Digital Datcom chỉ tính toán được đối với các airfoil NACA 4,5,6 series, do đó trong bài báo này sử dụng airfoil tương tự với MH60 là NACA 2410 [7]. Để kiểm tra tính đúng đắn của khai báo đầu vào, có thể sử dụng Datcom+ để hiển thị mô hình 3D cho các khai báo hình học vừa đưa vào (Hình 4). Hình 4. Mô hình 3D của Orbiter 2 dựng theo khai báo đầu vào, hiển thị bằng Datcom+. 2.3.2. Kết quả tính toán. Bảng 3. Hệ số khí động theo góc tấn. o 0 2 4 6 8 10 LC 0.405 0.567 0.731 0.897 1.062 1.192 DC 0.029 0.043 0.061 0.085 0.114 0.139 mC -0.0328 -0.0338 -0.0341 -0.0349 -0.0361 -0.0377 Bảng 4. Các đạo hàm hệ số khí động tính bằng Digital Datcom. YC  lC  nC  qLC qmC eL C  e DC  -0.000776 - 0.000447 - 0.000086 0.0421 -0.0321 0.0110 0.00048 e mC  plC pnC rlC rnC al C  a nC  -0.00717 -0.00640 - 0.000441 0.00188 - 0.000141 0.000751 0 3. SO SÁNH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Đối với phần mềm mô phỏng số Ansys Fluent chỉ tính được các hệ số khí động cơ bản phụ thuộc vào góc tấn  và góc trượt cạnh  , cụ thể là các hệ số , , , , ,L D m Y l nC C C C C C và đạo hàm của chúng đối với các góc tương ứng. Ưu điểm của Ansys Fluent là có thể thay đổi các điều kiện mô phỏng sao cho sát với điều kiện thực tế nhất có thể, kết quả tính toán rất trực quan, dễ quan sát đánh giá. Còn Digital Datcom thì có thể tính toán và xuất ra toàn bộ hệ số khí động và các đạo hàm của chúng dựa trên khai báo đầu vào cho mô hình máy bay. Tuy nhiên, quá trình tính Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 35 toán lại được thực hiện hoàn toàn tự động dựa trên cơ sở dữ liệu đã có sẵn, kết quả xuất ra chỉ được ở dạng số liệu, không trực quan, khó đánh giá. Kết quả tính toán hệ số lực nâng, lực cản và moment chúc ngóc bằng 2 phương pháp được biểu diễn ở trên đồ thị (Hình 6): Hình 6. Đồ thị so sánh kết quả tính toán các hệ số khí động bằng Ansys Fluent và Digital Datcom. Có thể thấy kết quả tính hệ số lực cản và moment chúc ngóc từ hai phương pháp là khá gần nhau. Đồ thị biểu diễn kết quả tính hệ số moment chúc ngóc bằng Ansys Fluent là phù hợp với những nghiên cứu về mặt lý thuyết hơn so với kết quả từ Digital Datcom. Riêng đối với lực nâng, kết quả có sai lệch tăng lên đáng kể khi góc tấn tăng. Điều này có thể giải thích được là do trong Digital Datcom sử dụng airfoil NACA 2410, trong khi đó trong Ansys Fluent sử dụng đúng airfoil của Orbiter 2 là MH60. Lực nâng máy bay chủ yếu được tạo nên từ cánh, và biên dạng cánh lại có ảnh hưởng rất lớn đến giá trị lực nâng của cánh. Tuy vậy, sai số lớn nhất giữa hai phương pháp là 20%, giữa hệ số lực nâng thu được từ hai phương pháp tại giá trị góc tấn 10o  , kết quả này đã được đưa vào thử nghiệm và kiểm chứng trong mô hình mô phỏng động lực học bay của Orbiter 2 và cho thấy là hoàn toàn có thể chấp nhận được. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã đề xuất các phương án và tính toán được toàn bộ đầy đủ bộ hệ số khí động cần thiết để phục vụ cho bài toán mô phỏng động lực học bay của MUAV Orbiter 2. Đây là loại máy bay không người lái mới được đưa vào sử dụng nên chưa có công trình nào công bố những tính toán về khí động cho nó. Mặt khác, bài báo cũng khắc phục được nhược điểm của các công trình nghiên cứu về tính toán khí động trước đây là hầu như chỉ dừng lại ở việc tính toán một số hệ số khí động cơ bản như hệ số lực nâng, hệ số lực cản và hệ số moment chúc ngóc. Theo đó, việc tính toán được thực hiện thông qua sử dụng 0.00 0.10 0.20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 CD Datcom Ansys α o -0.05 -0.03 -0.01 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Cm Datcom Ansys αo 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 CL Datcom αo Tên lửa & Thiết bị bay H.V. Trung, L.T. Anh, P.T. Lai, T.H. Nam, “Xác định bộ hệ số khí động ORBITER 2.” 36 phần mềm mô phỏng số Ansys Fluent và phần mềm tính toán khí động Digital Datcom. Căn cứ vào những kết quả nghiên cứu về lý thuyết và qua thực tế sử dụng trong mô hình mô phỏng động lực học bay của Orbiter 2 thì kết quả tính toán bằng Ansys Fluent là đáng tin cậy hơn. Những kết quả này đã được sử dụng trong mô hình mô phỏng động lực học bay của Orbiter 2 và cho kết quả khả quan. Tuy nhiên, để đảm bảo độ chính xác tốt nhất cho mô hình thì kết quả này vẫn cần phải được hiệu chỉnh thêm bằng thực nghiệm trong ống thổi khí động hoặc bay thử ngoài thực địa. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn Lữ đoàn 954 đã tạo điều kiện để nhóm tác giả có thể khảo sát đo đạc trực tiếp máy bay Orbiter 2, cảm ơn sự giúp đỡ của nhóm đề tài Orbiter 2 Viện CNTT đã giúp đỡ trong việc xây dựng mô hình 3D. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Н. Ф. Краснов, “Аэродинамика”, Москва “Высшая Школа” 1980, стр. 226-227. [2]. В. Б. Байдаков, А. С. Клумов, “Аэродинамика и динамика летательных аппаратов”, Москва “Машиностроение” 1979, стр. 126. [3]. Orbiter 2: “Mô tả và hướng dẫn vận hành hệ thống”. [4]. Ansys Fluent: Theory Guide. [5]. P. T. Sơn, P. T. Hân, “Đánh giá các mô hình dòng chảy rối trong khảo sát khí động học bay ”, TC. Nghiên cứu KHCNQS, Đặc san (9-2011), tr. 180-185. [6]. “The USAF Stability and Control Digital Datcom, Volume I, Users Manual”, USAF Technical Report AFFDL-TR-79-3032 (AD A086557), April 1979. [7]. ABSTRACT DETERMINATION OF THE SET OF AERODYNAMIC COEFFICIENTS FOR MODELING FLIGHT DYNAMICS OF ORBITER 2 This paper presents the results of determination of the set of aerodynamic coefficients of mini-UAV Orbiter 2 by applying two separated methods: Ansys Fluent and Digital Datcom. By comparing and evaluating the advantages and disadvantages of each method, the paper shows an appropriate way to apply achieved results in modeling flight dynamics. Keywords: Flight dynamics, Aerodynamic Coefficients, MUAV Orbiter 2. Nhận bài ngày 18 tháng 02 năm 2016 Hoàn thiện ngày 08 tháng 3 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 4 năm 2016 Địa chỉ: 1Viện Tên lửa, Viện KH-CNQS; 2Viện KH-CNQS; *Email: hoainamite@gmail.com